基于梁段模型的FRP加固混凝土梁界面剥离破坏分析

摘要

纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构是当前土木工程中的一个研发热点。FRP与混凝土界面的粘结质量是加固成败的关键,迄今仍有两个难点尚未得到较好地解决:(1) FRP加固混凝土梁梁端和跨中粘结界面剥离破坏的分析方法;(2)FRP-混凝土粘结-滑移本构关系的测试方法。本文先对上述两个问题的既有研究进行了较系统的综述;进而进行了针对性研究。
　　(1) FRP加固混凝土梁梁端和跨中粘结界面剥离破坏的分析方法
　　针对以整根梁作为有限元模型的繁琐和困难,以及因此而未能进行 FRP-混凝土界面剥离破坏参数分析的现状,本文分别提出了简单的以混凝土梁上裂缝作为边界的梁端、剪弯段和纯弯段的“梁段”模型。然后通过圣维南原理以及数值检验分别证明各个“梁段”模型的合理性和可靠性,从而化解了整梁计算的困难。
　　基于这些“梁段”模型,使用通用有限元软件ANSYS,第一次对FRP加固混凝土梁的界面剥离破坏问题进行了参数分析。结果显示:FRP拉应力和层数是加固梁各部位 FRP-混凝土界面剥离破坏的最主要的影响因素。FRP-混凝土粘结滑移本构关系反应粘结质量的优劣,对加固梁各部位界面剥离破坏有重要的影响。斜裂缝到支座的距离对梁端界面剥离破坏影响很大。剪跨比λ和裂缝间距对剪弯段界面剥离破坏的影响相对较小。由于对称性,纯弯段FRP-混凝土界面层不会发生整片剥离破坏。
　　经与收集的55根FRP加固混凝土梁的对比表明,本文提出的各个“梁段”模型的剥离计算结果与既有实验结果的误差在-12.33％和+32.80%之间。
　　由于尚未见到可同时分析加固梁梁端和跨中 FRP-混凝土剥离破坏的整梁有限元模型,本文基于“梁段”模型,提出了简单可靠的、可同时分析全梁不同部位剥离破坏的新分析方法—分段综合法。算例表明,除 FRP拉应力和层数外,梁端斜裂缝到支座的距离对剥离破坏最为敏感。为此本文提出了一种新的缺口梁试验方法以深入探讨斜裂缝位置对梁端剥离破坏的影响。
　　(2) FRP-混凝土粘结-滑移本构关系的测试方法
　　针对既有FRP-混凝土粘结-滑移本构关系测试试件均从一侧对FRP进行加载,在FRP-混凝土相对滑移量较小时就易发生突然性的界面整片剥离破坏,导致无法测得粘结-滑移本构关系的下降段的缺点,提出了一种新式FRP-混凝土粘结-滑移本构关系的实验方法。借鉴“梁段”模型的特点设计出一种改进的从两侧对FRP进行加载的―双拉‖试件及其水平加载装置。共进行了6个试件的测试,均实测到完整的粘结滑移关系曲线,表明新实验方法圆满成功。
　　受“梁段”模型和“双拉”试件的启发,本文提出一种测量FRP-混凝土粘结-滑移本构关系的梁式试件的改进设想,即在 FRP加固混凝土梁的纯弯段预设裂缝,一次形成多个“双拉梁段”试件,以提高实验效率。
　　综上本文的主要创新和贡献有:
　　(1)可靠、简单的FRP加固混凝土梁剥离破坏计算方法及其影响因素分析。a)提出并验证了可靠、简单的梁端与跨中“梁段”模型,且使计算结果更接近实际。b)第一次对FRP-混凝土界面剥离破坏影响因素进行了较全面细致的分析,有限元计算结果与大量的实验结果吻合较好。c)提出了可同时对全梁不同部位进行剥离分析的简单、可靠的新方法。d)提出了一种适合研究梁端剥离破坏的缺口梁实验方法。
　　(2)可实测完整的FRP-混凝土粘结-滑移本构关系的实验方法。a)改进了可实测完整的FRP-混凝土界面粘结-滑移本构关系的“双拉”试件及其实验方法。b)测量FRP-混凝土粘结-滑移本构关系的梁式试件的改进设想有可能提高实验效率。

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第一章 绪论

1.1 FRP加固混凝土结构研究的意义

1.2 FRP-混凝土粘结界面研究的两个难点

1.3本文的主要研究内容和思路

第二章 既有FRP加固混凝土界面剥离破坏研究综述

2.1引言

2.2 FRP加固混凝土梁界面剥离破坏的分析

2.3 FRP加固混凝土梁界面剥离破坏的实验研究

2.4 FRP加固混凝土梁界面剥离破坏的主要影响因素

2.5 FRP加固混凝土梁界面剥离破坏的预防措施

第三章 可靠简单的FRP加固混凝土梁的界面剥离破坏分析—“梁段”模型的提出与应用

3.1 引言

3.2梁段模型的提出及其合理性的定性分析

3.3 FRP加固钢筋混凝土结构的有限元分析

3.4基于梁段模型的FRP-混凝土界面剥离破坏有限元计算分析

3.5有限元计算与实验的对比

第四章 简单可靠的FRP加固混凝土全梁剥离破坏的新分析方法—分段综合法

4.1 引言

4.2 全梁不同部位界面剥离破坏分析的新思路—先分段后综合

4.3两点加载FRP加固混凝土梁全梁界面剥离破坏的综合分析算例

第五章 改进的梁端FRP-混凝土粘结破坏的梁式试件

5.1 引言

5.2缺口梁试件的设计概念

5.3缺口梁初探

第六章 既有FRP-混凝土界面粘结-滑移本构关系的研究综述

6.1引言

6.2 FRP-混凝土界面性能的物理表述

6.3既有FRP-混凝土界面粘结强度的研究

6.4既有FRP-混凝土粘结-滑移本构关系的研究

第七章 改进的可实测FRP-混凝土界面粘结-滑移全曲线的“双拉”实验方法

7.1引言

7.2“双拉”实验方案的提出

7.3“双拉”实验方案

7.4实验结果处理和分析

7.5测量FRP-混凝土粘结-滑移本构关系的梁式试件的改进设想

第八章 结论与展望

8.1本文工作总结

8.2下一步研究工作展望

参考文献

致谢

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